垂直GaN结场效应晶体管的失效机制以及利用梯度掺杂沟道提高其性能指标的方法

《IEEE Transactions on Electron Devices》：Breakdown Mechanisms of Vertical GaN Junction Field-Effect Transistors and Enhanced Figure of Merit Using Gradient Doping Channel

　　

摘要：

在这项研究中，我们模拟了一个正常关断状态的垂直GaN结场效应晶体管（JFET）的参数，以分析该器件的击穿机制。关键因素包括通道中的电子浓度（N通道）、p+区域的空穴浓度（NP?区域）、通道长度（L通道）以及通道宽度（W通道）对器件的电气特性和击穿机制进行了评估。研究结果揭示了以下内容：1）JFET器件存在三种击穿机制——漏极到栅极击穿和漏极到源极击穿，以及这两种机制的共存；2）在漏极到源极击穿机制下，器件会经历更高的漏电流和严重的击穿电压（BV）退化；3）当击穿机制为漏极到栅极时，器件表现出更好的击穿特性，具有较低的漏电流和较高的BV，尽管其导通电阻（R导通时）增加；4）当这两种机制共存时，器件在保持较高BV的同时，漏电流会增加。同时，正向特性显著改善，从而提高了功率系数（FOM）。为了提高整体器件性能，提出了一种梯度掺杂通道JFET（GD-JFET）器件，该器件采用了三层梯度掺杂通道来平衡FOM和阈值电压（VTH）之间的权衡。与传统JFET（C-JFET）相比，GD-JFET的VTH提高了15.8%，而FOM提高了12.0%。这些结果表明，GD-JFET在功率器件应用中具有巨大潜力。